一種多功能無線充電設備

宋 娜，林志剛，高懷棟，梁雪婷

（莆田學院，福建 莆田 351100）

0 引 言

當今社會，人們的電子設備數量高速增長，促使人們對充電提出了更高要求。市面上出現了很多充電寶等充電設備，但是充電方式單一且需要在有電源的地方實現充電設備充電，給人們的生活造成了不便。基于這種現狀，本文介紹了一種多功能無線充電設備，解決了人們對移動充電不方便的問題。

1 系統總體設計

多功能無線充電設備以HT46R064合泰單片機為核心，控制各部分電路分工協作完成充放電過程。其中，充電管理電路由TP4056恒流/恒壓線性充電器實現對內部鋰電池的充電，可以實現自動停止充電循環，也包括溫度檢測、欠壓閉鎖以及自動再充電等功能。放電管理電路由MEM2306SG場效應管和ME2109升壓DC/DC控制器構成。電池保護電路通過HS8205S單節鋰電池保護MOS，配合DW01完成鋰電池保護功能[1]。無線充放電部分包括由BQ500211集成IC組成的無線充電發射部分、由BQ51013A集成性高級接收器IC組成的無線充電接收部分、為線圈耦合提供震蕩信號的震蕩電路和為BQ500211、MSP430G2001提供電源的低壓差線性穩壓電路構成。主要部分的內部結構圖如圖1所示。

圖1 主要部分內部結構圖

2 電路設計

2.1 充電管理電路

采用TP4056充電器，封裝方式采用SOP8/MSOP8形式且自帶散熱片，具有較少的元件數量，成為便攜式應用的較優選擇。單節鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，當充電電壓達到最終浮充壓后，會自動停止充電。

TP4056內部的架構形式為PMOSFET，且帶有防止倒充的電路，節省了外接隔離二極管，充電的電壓值為固定的4.2 V。充電電流可手動設置，且當充電電流到達浮充電壓后，在下降至設定值的1/10時，器件自動停止充電循環。

TP4056在有電源供電時可選停機模式，且在停機模式下可以將供電電流降至55 μA。當停止供電時，TP4056會自動進入低電流情況，可以將漏電流降至2 μA以下。

TP4056還有欠壓閉鎖、電池溫度檢測以及自動再充電等其他功能。

2.2 放電管理電路

采用MEM2306SG作為放電管理電路，架構采用共漏極雙N溝道增強型功率場效應管（MOSFET）和高單元密度的DMOS溝道技術，特別適用于本設備用于減小導通電阻。基于這種特點，這種場效應管特別適合用于移動電源設備，如手機、移動電源和筆記本電腦。

ME2109是一種CMOS升壓DC/DC控制器，由震蕩電路、PWM/PFM切換控制電路、相位補償電路、誤差放大器以及基準電壓源等構成。

2.3 電池保護電路

DW01是一種性能較高、一般用于移動電源的鋰電池保護電路，作用是避免鋰電池因過充電、過放電以及電流過大而導致電池壽命縮短或電池被損壞等。這種鋰電池保護電路具有高精確度的電壓檢測與高效能的時間延遲電路。

HS8205S單節鋰電池保護MOS，配合DW01完成鋰電池保護功能。

2.4 MCU控制電路

主控部分由HT46R064合泰單片機組成，應用相當廣泛，秉承HOLTEK單片機具有的低功耗、IO靈活、定時器功能、震蕩類型可選、休眠和喚醒、看門狗和低電壓復位等豐富的功能選項。MCU控制電路如圖2所示。

圖2 MCU控制電路

2.5 無線充放電部分

無線充電發射部分利用電磁感應的方式進行能量傳遞，通過美國德州儀器公司（TI）推出的BQ500211無線電源發送器集成電路（IC）及其組件構成。該高智能小型IC集成度高，符合無線電源聯盟WPC標準，可以為多種便攜式智能設備且符合Qi標準的設備供電。整個過程通過電磁感應的方式將電能從一個線圈感應到另外一個線圈，從而實現無線充電的功能。TPS28225是MOSFET驅動IC，配合4顆CSD17308低阻抗MOSFET和線圈組成一個全H橋LC震蕩電路。主控IC通過控制PWM的輸出調節震蕩頻率[2]，合理控制輸出功率，為線圈耦合提供震蕩信號。

無線充電接收部分為移動電源提供了無線充電功能，采用BQ51013A作為接收器。此IC既可以進行AC/DC電源轉換，也符合Qi標準中的數字控制功能。

接收器和發送器相配合，可實現完整的非接觸式電源傳輸系統。接收器通過耦合電感接收發送器中發送的電能，通過近場感應效應實現非接觸式電能傳輸。接收器中線圈的AC經過整流調節，可作為關閉系統的電源使用。全局反饋通過反散射調整過程保證電源傳輸的穩定性。此器件集成了一個低阻抗完全同步整流器、低壓降穩壓器、數字控制和精確電壓與電流環路。整個功率級（整流器與LDO）均采用低電阻NMOS FET技術，以確保高效率與低功率耗散[3]。無線接收電路如圖3所示。

3 功能擴展

為解決傳統充電設備充電接口單一、只能為特定設備進行充電的問題，在此基礎上進行功能擴展。具體地，在接觸口上根據充電對象不同進行接口改造，即可為多種小型用電設備進行充電，基本滿足目前家用電子設備的充電需求。擴展功能如圖4所示。

圖3 無線接收電路

圖4 功能擴展

4 結 論

通過以上電路分析加上科學的實驗驗證，這款智能型多功能充電裝置可以滿足人們在充電方面的多方位需求，且電路結構清晰簡潔，有利于大批量生產，可給多種移動設配充電，實用性較強。